WO2014079406A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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Wolfgang Issler
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Mahle International Gmbh
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    • F16J1/10—Connection to driving members
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    • F16J1/16—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with gudgeon-pin; Gudgeon-pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine having a piston head, to which radially outward in piston crown facing away from a ring section connects, with two opposite and in kolbenêtabgewandte direction of the piston crown integrally formed pin bosses, each with a pin bore and a pin bosses connecting the piston shaft.
  • a piston of the type mentioned is from the Japanese application
  • the known piston has bolt holes in which circumferential recesses are formed radially inwardly over the entire circumference of the inner surface of the bolt holes. It is thereby achieved that upon deformation of the piston pin under load, the contact area between the piston pin and the radially inner edges of the bolt holes is increased, thereby reducing the risk that the piston pin and the piston in the region of the radially inner edges of the pin holes are damaged ,
  • the disadvantage here is that thereby lying in the zenith of the pin bore contact surface between the pin bore and the piston pin therein is reduced, so that exerted by the zenith of the pin bore on the piston pin pressure per contact surface, in particular during the compression and power stroke of the engine in which the piston is built, is very large, which leads here to increased wear both the pin bore and the piston pin.
  • FIG. 1 shows a half of a piston in section along the piston axis and along the pin bore axis with a first embodiment of a recess
  • Fig. 2 is a half of the piston in section along a plane which lies on the piston axis and is perpendicular to the pin bore axis and
  • Fig. 3 is an enlargement of the detail "A" of Fig. 1 with a second embodiment of the recess.
  • the piston 1 shows a half of a piston 1 for an internal combustion engine in section along a plane which is spanned by the piston axis 2 and the pin bore axis 3.
  • the piston 1 has a piston head 4, a radially outwardly adjoining top land 5 and a piston bottom facing away from
  • the piston 1 in a direction away from the piston crown, adjoins the annular portion 6 of the pin bosses 7, each with a pin bore 8.
  • the piston shaft 12, which connects the two pin bosses 7 together, can be seen only in plan view.
  • a recess 10 Radially inside a recess 10 is formed in the region of the equator and the nadir of the wall of the pin bore 8, which extends radially inward to the end face 11 of the pin boss 7, and which is arranged in the lower half of the pin bore 8.
  • the recesses 10 are circular-cylindrical with a cylinder axis parallel to the pin bore axis 3 and have the shape of a step in the section.
  • Fig. 2 shows a half of the piston in section along a plane which lies on the piston axis 2 and is perpendicular to the pin bore axis 3.
  • the piston shaft 12 the pin bore 8 and arranged in the lower region of the pin bore 8 recess 10.
  • the recess 10 has a length "L” between 0.5 mm and 3 mm and a depth "T" between 0.05 mm and 0.3 mm.
  • FIG. 1 shows a magnified section "A" of FIG. 1, which shows a second embodiment of the recess 10 ', which has a radially inner, circular-cylindrical, and up to the radially inner end face 11 of the pin boss 7, circular cylindrical and with its cylinder axis parallel to Bolt bore axis 3 lying region 13 and a radially outer, conically shaped portion 14, the taper opens radially inward.
  • the piston 1 may be made of aluminum, cast iron or steel and made by casting or forging.
  • the recess 10, 10 ' is made by means of a lathe, in which the axis of the turning tool is displaceable. In the manufacture of the recess 10, 10 ', the axis of the turning tool is initially identical to the pin bore axis 3 and then in the course of forming the recess 10, 10' by the distance "T" moves in the piston bottom facing away direction down.
  • the recess 10, 10 ' can be introduced by means of a second turning tool, which is parallel to the pin bore axis 3 and lying at a distance "T" from the pin bore axis 3 is turned.
  • the piston 1 In engine operation, at the beginning of the intake stroke, the piston 1 is pulled downwardly over the piston pin by the connecting rod, whereby due to the inertia of the piston at higher speeds of the connecting rod on the piston pin such a force is applied that the piston pin bends down.
  • the piston pin comes into contact with the inner lower edge of the pin 8, resulting in damage to the piston pin and cracks in the piston material near the inner lower edge of the pin bore 8.
  • the inner part of the bending piston pin is at the beginning of the intake stroke on two edges on which the piston pin from the inner lower portion of the Bolt hole 8 exerted pressure load distributed, so that thereby greatly reduces the risk that the piston pin and the piston in the inner lower edge of the pin bore are damaged.
  • the recess 10, 10 has the advantage that on the recess the access of the oil is facilitated in the pin bore 8, so that thereby the lubrication of the piston pin is improved.
  • Another advantage of the invention results from the fact that during the compression and working stroke over the zenith of the pin bore, a large pressure is exerted on the upper part of the piston pin.
  • this pressure / area as much as possible and thus to reduce wear of the piston pin and the pin bore in the zenith area as much as possible
  • the contact area between the zenith of the pin bore and the upper part of the piston pin should be as large as possible.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden (4) und mit zwei einander gegenüberliegenden und in kolbenbodenabgewandte Richtung an den Kolbenboden (4) angeformten Bolzennaben (7) mit je einer Bolzenbohrung (8). In die radial inneren Bereiche der unteren, kolbenbodenabgewandten Hälften der Bolzenbohrungen (8) ist je eine Eindrehung (10) eingeformt.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden, an den sich radial außen in kolbenbodenabgewandte Richtung eine Ringpartie anschließt, mit zwei einander gegenüberliegenden und in kolbenbodenabgewandte Richtung an den Kolbenboden angeformten Bolzennaben mit je einer Bolzenbohrung und mit einem die Bolzennaben miteinander verbindenden Kolbenschaft.
Ein Kolben der eingangs genannten Art ist aus der Japanischen Anmeldung
JP 62184274 A bekannt. Der bekannte Kolben weist Bolzenbohrungen auf, in die radial innen über den gesamten Umfang der Innenfläche der Bolzenbohrungen umlaufende Eindrehungen eingeformt sind. Erreicht wird hierdurch, dass bei einer Verformung des Kolbenbolzens unter Last der Kontaktbereich zwischen dem Kolbenbolzen und den radial inneren Kanten der Bolzenbohrungen vergrößert wird, sodass dadurch die Gefahr reduziert wird, dass der Kolbenbolzen und der Kolben im Bereich der radial inneren Kanten der Bolzenbohrungen beschädigt werden.
Nachteilig ist hierbei, dass dadurch die im Zenitbereich der Bolzenbohrung liegende Kontaktfläche zwischen der Bolzenbohrung und dem darin befindlichen Kolbenbolzen reduziert wird, sodass der vom Zenit der Bolzenbohrung auf den Kolbenbolzen ausgeübte Druck pro Kontaktfläche insbesondere beim Verdichtungs- und Arbeitstakt des Motors, in dem der Kolben eingebaut ist, sehr groß wird, was hier zu einem erhöhten Verschleiß sowohl der Bolzenbohrung als auch des Kolbenbolzens führt.
Diesen Nachteil des Strandes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass in die radial inneren Bereiche der unteren, kolbenbodenabgewandten Hälften der Bolzenbohrungen je eine Eindrehung eingeformt ist. Dadurch bleibt der Zenit der Bolzenbohrung frei von einer Eindrehung, sodass der gesamte Zenit der Bolzenbohrung in Kontakt zum Kolbenbolzen steht, sodass demzufolge auch der Druck pro Kontaktfläche im Verdichtungs- und Arbeits-
Bestätigungskopiel takt reduziert wird, was zu einer Reduzierung des Verschleißes sowohl des Kolbenbolzens als auch der Bolzenbohrung führt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Hälfte eines Kolbens im Schnitt entlang der Kolbenachse und entlang der Bolzenbohrungsachse mit einer ersten Ausgestaltung einer Eindrehung,
Fig. 2 eine Hälfte des Kolbens im Schnitt entlang einer Ebene, die auf der Kolbenachse liegt und senkrecht auf der Bolzenbohrungsachse steht und
Fig. 3 eine Vergrößerung des Ausschnitts„A" aus Fig. 1 mit einer zweiten Ausgestaltung der Eindrehung.
Fig. 1 zeigt eine Hälfte eines Kolbens 1 für einen Verbrennungsmotor im Schnitt entlang einer Ebene, die von der Kolbenachse 2 und der Bolzenbohrungsachse 3 aufgespannt wird. Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 4, einen radial außen sich daran anschließenden Feuersteg 5 und eine sich in kolbenbodenabgewandte
Richtung an den Feuersteg 5 anschließende Ringpartie 6 auf.
Weiterhin weist der Kolben 1 sich in kolbenbodenabgewandte Richtung an die Ringpartie 6 anschließende Bolzennaben 7 mit je einer Bolzenbohrung 8 auf. Zu erkennen ist auch die im radial äußeren Bereich der Bolzenbohrung 8 angeordnete Bolzensicherungsnut 9. Bei der Lage der Schnittebene gemäß Fig. 1 ist der Kolbenschaft 12, der die beiden Bolzennaben 7 miteinander verbindet, nur in Draufsicht zu erkennen.
Radial innen ist in den Bereich des Äquators und des Nadirs der Wand der Bolzenbohrung 8 eine Eindrehung 10 eingeformt, die radial innen bis zur Stirnseite 11 der Bolzennabe 7 reicht, und die in der unteren Hälfte der Bolzenbohrung 8 angeordnet ist. In einer ersten Ausgestaltung gemäß Fig. 1 sind die Eindrehungen 10 kreiszylindrisch mit einer parallel zur Bolzenbohrungsachse 3 liegenden Zylinderachse ausgebildet und haben im Schnitt die Form einer Treppenstufe. Fig. 2 zeigt eine Hälfte des Kolbens im Schnitt entlang einer Ebene, die auf der Kolbenachse 2 liegt und senkrecht auf der Bolzenbohrungsachse 3 steht. Zu erkennen ist der Kolbenschaft 12, die Bolzenbohrung 8 und die im unteren Bereich der Bolzenbohrung 8 angeordnete Eindrehung 10. Hierbei kann die Eindrehung 10 eine Länge„L" zwischen 0,5 mm und 3 mm und eine Tiefe„T" zwischen 0,05 mm und 0,3 mm aufweisen.
Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt„A" aus Fig. 1 , der eine zweite Ausgestaltung der Eindrehung 10' erkennen lässt. Diese weist einen radial inneren, bis zur radial inneren Stirnseite 11 der Bolzennabe 7 reichenden, kreiszylindrischen und mit ihrer Zylinderachse parallel zur Bolzenbohrungsachse 3 liegenden Bereich 13 und einen radial äußeren, konisch ausgebildeten Bereich 14 auf, dessen Konizität sich nach radial innen öffnet.
Der Kolben 1 kann aus Aluminium, Gusseisen oder Stahl bestehen und durch Gießen oder Schmieden hergestellt sein. Die Eindrehung 10, 10' wird mittels einer Drehmaschine hergestellt, bei der die Achse des Drehmeißels verschiebbar ist. Bei der Herstellung der Eindrehung 10, 10' ist die Achse des Drehmeißels zunächst identisch mit der Bolzenbohrungsachse 3 und wird dann im Laufe des Ausformens der Eindrehung 10, 10' um die Strecke„T" in kolbenbodenabgewandte Richtung nach unten bewegt.
Alternativ dazu kann vor und nach der Bearbeitung der Bolzenbohrung 8 mit Hilfe eines ersten Drehmeißels die Eindrehung 10, 10' mit Hilfe eines zweiten Drehmeißels eingebracht werden, der um eine zur Bolzenbohrungsachse 3 parallele liegenden und von der Bolzenbohrungsachse 3 den Abstand„T" aufweisenden Achse gedreht wird.
Im Motorbetrieb wird zu Beginn des Ansaugtaktes der Kolben 1 über den Kolbenbolzen von der Pleuelstange nach unten gezogen, wobei wegen der Massenträgheit des Kolbens bei höheren Drehzahlen von der Pleuelstange auf den Kolbenbolzen eine derartige Kraft ausgeübt wird, dass sich der Kolbenbolzen nach unten verbiegt. Der Kolbenbolzen kommt hierbei in Kontakt mit der inneren unteren Kante der Bolzen- bohrung 8, was zu einer Beschädigung des Kolbenbolzens und zu Rissen im Kolbenmaterial nahe der inneren unteren Kante der Bolzenbohrung 8 führt.
Weist die Bolzenbohrung 8 in ihrem inneren unteren Bereich eine Eindrehung 10, 10' gemäß der vorliegenden Erfindung auf, liegt der innere Teil des sich verbiegenden Kolbenbolzens zu Beginn des Ansaugtaktes auf zwei Kanten auf, auf die sich die vom Kolbenbolzen auf den inneren unteren Bereich der Bolzenbohrung 8 ausgeübte Druckbelastung verteilt, sodass hierdurch die Gefahr stark abnimmt, dass der Kolbenbolzen und der Kolben im Bereich der inneren unteren Kante der Bolzenbohrung beschädigt werden.
Weiterhin bietet die Eindrehung 10, 10' den Vorteil, dass über die Eindrehung der Zugang des Öl in die Bolzenbohrung 8 erleichtert wird, sodass hierdurch die Schmierung des Kolbenbolzens verbessert wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, dass beim Verdich- tungs- und Arbeitstakt über den Zenit der Bolzenbohrung ein großer Druck auf den oberen Teil des Kolbenbolzens ausgeübt wird. Um diesen Druck/pro Fläche so weit wie möglich zu reduzieren und damit den Verschleiß des Kolbenbolzens und der Bolzenbohrung im Zenitbereich so weit wie möglich zu verringern, sollte die Kontaktfläche zwischen dem Zenit der Bolzenbohrung und dem oberen Teil des Kolbenbolzen so groß wie möglich sein.
Aus diesem Grund befindet sich die Eindrehung 10, 10' in der unteren Hälfte der Bolzenbohrung 8, sodass die gesamte Zenitfläche der Bolzenbohrung mit dem Kolbenbolzen in Kontakt treten kann und sich damit ein minimaler Verschleiß des Zenits der Bolzenbohrung 8 und des oberen Teils des Kolbenbolzens ergibt. Bezugszeichenliste
L Länge der Eindrehung 10, 10'
T Tiefe der Eindrehung 10, 10'
A Bildausschnitt
1 Kolben
2 Kolbenachse
3 Bolzenbohrungsachse
4 Kolbenboden
5 Feuersteg
6 Ringpartie
7 Bolzennabe
8 Bolzenbohrung
9 Bolzensicherungsnut
10, 10' Eindrehung
11 Stirnseite
12 Kolbenschaft
13 vorderer Bereich der Eindrehung 10
14 hinterer Bereich der Eindrehung 10'

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor
mit einem Kolbenboden (4), an den sich radial außen in kolbenbodenabge- wandte Richtung eine Ringpartie (6) anschließt,
mit zwei einander gegenüberliegenden und in kolbenbodenabgewandte Richtung an den Kolbenboden (4) angeformten Bolzennaben (7) mit je einer Bolzenbohrung (8) und
mit einem die Bolzennaben (7) miteinander verbindenden Kolbenschaft (12),
dadurch gekennzeichnet, dass in die radial inneren Bereiche der unteren, kol- benbodenabgewandten Hälften der Bolzenbohrungen (8) je eine Eindrehung (10, 10') eingeformt ist.
2. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eindrehungen (10) kreiszylindrisch mit einer parallel zur Bolzenbohrungsachse (3) liegenden Zylinderachse ausgebildet sind und im Schnitt die Form einer Treppenstufe aufweisen.
3. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eindrehungen (10) jeweils einen radial inneren, bis zur radial inneren Stirnseite (11) der Bolzennabe (7) reichenden, kreiszylindrischen und mit ihrer Zylinderachse parallel zur Bolzenbohrungsachse (3) liegenden Bereich (13) und einen radial äußeren, konisch ausgebildeten Bereich (14) aufweisen, dessen Konizität sich nach radial innen öffnet.
4. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eindrehungen (10) jeweils einen radial inneren, bis zur radial inneren Stirnseite (11) der Bolzennabe (7) reichenden, kreiszylindrischen und mit ihrer Zylinderachse parallel zur Bolzenbohrungsachse (3) liegenden Bereich (13) aufweist, der mit weich und stetig verlaufenden Übergangsradien an die Oberfläche der Bohrung (8) anschließt.
5. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung der Bolzenbohrungsachse (3) gemessene Länge„L" der Eindrehung (10, 10') zwischen 0,5 mm und 3 mm beträgt, und dass die senkrecht zur Bolzenbohrungsachse (3) gemessene Tiefe„T" der Eindrehung (10, 10') zwischen 0,05 mm und 0,3 mm beträgt.
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